采用超低頻電流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)深水UUV遙控

王永斌，路洋洋，付天暉

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢430033)

0 引 言

無人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)是一種以潛艇或水面艦船為支援平臺(tái)，能夠在水下自主遠(yuǎn)程航行的新概念武器。其體積小、重量輕、隱蔽性好、操作安全、活動(dòng)范圍大、造價(jià)低，可執(zhí)行掃雷、水下打撈、水下偵查與攻擊、中繼通信等任務(wù)。通信系統(tǒng)對(duì)UUV 的遙控和數(shù)據(jù)傳輸起著至關(guān)重要的作用，在UUV 下潛深度較小(小于100 m)時(shí)，可采用岸基長(zhǎng)波臺(tái)發(fā)送遙控信號(hào)，而當(dāng)UUV 下潛深度較大時(shí)，目前主要采用水聲通信方式。但水聲通信方式有很大的局限性，它極易受到自然和人為噪聲的影響，在海水不同溫度層和密度層間信號(hào)的反射和折射引發(fā)了多徑效應(yīng)和通信盲區(qū)。此外，水聲通信的信息傳輸速率低、時(shí)延長(zhǎng)、設(shè)備體積大。為了彌補(bǔ)水聲通信的這些缺陷，對(duì)于近距離大深度的情況，可以采用水下無線電通信實(shí)現(xiàn)對(duì)UUV 的遙控。由于海水的電導(dǎo)率很高，海水中以傳導(dǎo)電流為主，而位移電流可忽略不計(jì)。海水電流場(chǎng)與電磁場(chǎng)的關(guān)系如同傳導(dǎo)電流與位移電流，電磁場(chǎng)也可忽略不計(jì)，因此水下無線電通信主要依賴于水下電流場(chǎng)。

1 深水UUV 遙控原理分析

在深水近距離情況下采用水下電流場(chǎng)遙控UUV時(shí)，發(fā)送的控制信號(hào)可以看成直接傳播，不必考慮反射波、側(cè)面波，其輻射場(chǎng)可近似看作海水中電偶極子輻射的電流場(chǎng)。

根據(jù)麥克斯韋方程組

由場(chǎng)論知識(shí)可知，旋度的散度恒為0。因此引入一個(gè)矢量位函數(shù)A，使得B=▽×A。

圖1 海水中電偶極子輻射示意圖Fig.1 Schematic diagram of electric dipole radiation in seawater

式中A 為矢量位函數(shù)，Wb/m。把B 代入式(1)得［1］:

由于梯度的旋度恒為0，因此無旋的矢量可用一個(gè)標(biāo)量函數(shù)的梯度代替。為此引入標(biāo)量位函數(shù)φ，使。

即

線性、均勻、各向同性媒質(zhì)本構(gòu)關(guān)系方程為

將式(4)代入式(1)得

利用矢量恒等式▽×▽×A=▽(▽·A)－▽2A，式(5)可寫為

為了簡(jiǎn)化式(6)，可采用洛倫茲規(guī)范，令

因此，式(6)可寫為

可解得矢量位函數(shù)

對(duì)于電偶極子，其體積元dV=dlΔS，J=I/ΔS，則

將A 轉(zhuǎn)化為球坐標(biāo)

解得

而在海水中，σ ＞＞ωε，

則可解得

當(dāng)接收電極與發(fā)射電極軸線重合且距離為R時(shí)，此時(shí)θ=90°，接收電極處的場(chǎng)強(qiáng)為:

間距為d2的接收電極間的電勢(shì)差可表示為:

從以上分析可以看出，接收信號(hào)的電壓與發(fā)射電流、收發(fā)電極間距和通信距離有關(guān)。

2 深水UUV 遙控接收電流場(chǎng)特性分析

為了分析采用電流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)深水UUV 遙控的系統(tǒng)性能，且考慮到可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)規(guī)模，設(shè)定發(fā)射電流為50 A，發(fā)射電極間距為100 m，接收電極間距為10 m，進(jìn)行仿真分析。

圖2 接收電壓與頻率的關(guān)系曲線(通信距離為300 m)Fig.2 Relation graph of received volage and frequency(the communication distance is 300 m)

如圖2所示，接收信號(hào)的電壓隨著通信頻率的增加而減小，根據(jù)圖示，此規(guī)律近似為指數(shù)衰減。根據(jù)現(xiàn)有接收機(jī)的靈敏度，當(dāng)收信電極間距為10 m 時(shí)，收信機(jī)可接收到的最小信號(hào)為0.1 nV，因此當(dāng)頻率降到400 Hz 時(shí)，現(xiàn)有接收機(jī)很難檢測(cè)到信號(hào)。為了接收到較強(qiáng)的信號(hào)，通信頻率應(yīng)盡可能降低，然而頻率的降低將會(huì)導(dǎo)致信息傳輸速率的減小。因此，合理選擇頻率對(duì)于UUV 的接收性能至關(guān)重要。從圖中可以看出，超低頻段是個(gè)比較好的選擇，其頻率范圍為30 ～300 Hz，此時(shí)接收信號(hào)電壓比較大。雖然超低頻段信息傳輸速率比較低，但對(duì)于發(fā)送信息速率較低的遙控信號(hào)來說仍適用。

圖3 接收電壓與通信距離的關(guān)系曲線(通信頻率為100 Hz)Fig.3 Relation graph of received volage and communication distance(the frequency is 100Hz)

圖3 是接收信號(hào)電壓與通信距離的關(guān)系曲線圖，其頻率為100 Hz。隨著通信距離的增加，接收信號(hào)的電壓也逐漸減小，從圖中可以看出，當(dāng)通信距離達(dá)到500 m 時(shí)信號(hào)的電壓值已經(jīng)接近現(xiàn)有接收機(jī)可檢測(cè)的極限。因此，提高通信距離是實(shí)現(xiàn)深水UUV遙控面臨的重要問題。

3 提高深水UUV 遙控距離的方法

水下無線電通信不同于自由空間的通信，其通信距離受到了很大的限制。從UUV 接收信號(hào)電壓的表達(dá)式我們可以看出，降低頻率和增大收發(fā)電極間距可以在一定程度上增大通信距離，然而受到信息傳輸速率和收發(fā)方便性的影響，這2 種方式不太適合用來提高通信距離。發(fā)射電極與海水形成的回路滿足歐姆定律，發(fā)射電流的大小與發(fā)射電壓、電極與海水的接觸阻抗有關(guān)，因此增大信號(hào)強(qiáng)度可通過增大發(fā)射電壓、減小接觸阻抗的方式進(jìn)行，接觸阻抗可以通過改變電極材料和接觸面積來實(shí)現(xiàn)。下面是幾種提高通信距離的新方法，主要應(yīng)用于發(fā)射電極間距比較小的情況。

當(dāng)電極間距比較小時(shí)，可以在電極一端加裝反射絕緣板，如圖4所示。這樣可以改變信號(hào)傳輸?shù)姆较颍股湎蛄硪欢说碾姴ǚ瓷浠亟邮誙UV 的方向，從而提高了信號(hào)傳輸距離。其原理類似于定向天線。

在電極間加裝絕緣板也是一種增加通信距離的方法，如圖5所示。其原理是增大電極的間距，從而增加了通信距離。

此外，利用電極的形狀增益也可以放大電場(chǎng)，從而可以增大通信距離。

圖4 電極加裝反射絕緣板Fig.4 Installing reflecting insulating board on electrode

圖5 電極加裝間隔絕緣板Fig.5 Installing isolating insulating board on electrode

4 結(jié) 語

以上分析了針對(duì)UUV 的遙控方式，得出無線電遙控的優(yōu)勢(shì)。分析了水下電流場(chǎng)通信的原理，推導(dǎo)出了海水中電極對(duì)天線接收信號(hào)表達(dá)式。給出了影響接收電壓的關(guān)鍵參數(shù)，得出了接收電壓在不同參數(shù)下的變化規(guī)律。最后對(duì)于增大通信距離的方法進(jìn)行分析，得出一些實(shí)用性的結(jié)論。

［1］張惠娟，楊文榮，李玲玲．工程電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［2］沈熙寧．電磁場(chǎng)與電磁波［M］．北京:科學(xué)出版社(1版)，2006．

［3］梁高權(quán)．甚低頻波和超低頻波的輻射與傳播［M］．武漢:海軍工程大學(xué)，2002:262－263．

［4］付天暉，周穗華，鄧鵬．超低頻水下遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．科技通報(bào)，1992，8(11):140－144．

［5］汪丹丹，王永斌，陳斌．設(shè)計(jì)水下電流場(chǎng)通信系統(tǒng)需注意的幾個(gè)問題［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32(2):56－58．

［6］王偉，曾鳳．甚低頻遠(yuǎn)程遙控信號(hào)傳輸特性分析及接收方法［J］．鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，20(3):16－19．

［7］王偉，郭大江．甚低頻遙控水雷全向數(shù)字接收機(jī)的研究［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(12):1－3．

［8］李松，李俊，龔沈光．電場(chǎng)測(cè)量傳感器類型選擇［J］．水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2008(16):72－76．